Alcoholes Problemas Resueltos

ALCOHOLES PROBLEMAS RESUELTOS 1. Nombra los siguientes compuestos incluyendo la estereoquímica, si ha lugar: d) a)

b)

e)

c)

f)

Solución 1.1 a) 3,3-dimetil-1-butanol b) 4-bromopent-1-en-3-ol c) 2,3,4,5,6-heptanopentol d) 2-feniletanol e) (R)-1,3,4-trimetilciclohex-3-en-1-ol f) (1R, 3S, 5S)-5-bromo-1-metil-1,3-ciclohexanodiol

2. Escribe una fórmula estructural para cada uno de los nombres siguientes:

a) (R)-4-Metil-1,2,4-pentanotriol

e) (S)-1-Feniletanol

b) (1R, 2R)-1,2-Ciclohexanodiol

f) Alcohol alílico (2-propen-1-ol)

c) 1-(1-Metiletil)ciclobutanol

g) Alcohol bencílico (fenilmetanol)

d) (R)-2-Iodo-3-heptin-1,7-diol

h) meso-Bis-1,2-ciclohexil-1,2-etanodiol

Solución 1.2 e) a)

b) f)

c)

g)

h) d)

3. Indica la razón de por qué los nombres siguientes son incorrectos: a) 4-pentanol

c) 3-hidroxi-3-etilhexano

b) 4-(hidroximetil)-2-heptanol

d) 2-isopropil-1-propanol

Solución 1.3 Desde el punto de vista estricto de la IUPAC, estos nombres no son correctos por las razones que se darán en cada caso. Sin embargo, aunque incorrectos, cumplen la función primaria de permitir la comunicación entre químicos (no muy expertos verdaderamente). Es como hablar o escribir un idioma con defectos ortográficos y gramaticales. Cada uno de estos nombres permite escribir una fórmula estructural para cada compuesto. c) 3-hidroxi-3-etilhexano a) 4-pentanol

El error está en la numeración, que debe hacerse con los númerales más pequeños posible. El nombre correcto será: 2-pentanol.

b) 4-(hidroximetil)-2-heptanol

Se han nombrado las funciones alcohol, una como principal y otra como secundaria. Es necesario nombrar las dos como principales, con lo que la cadena carbonada principal no tiene por qué ser la más larga. El nombre correcto sería: 2-propil-1,4-pentanodiol

La función principal tiene que ser el alcohol. Por tanto, el nombre correcto será: 3-etil-3-hexanol

d) 2-isopropil-1-propanol

El problema está en la cadena principal, que no se ha buscado la más larga posible que contenga el grupo OH. El nombre correcto será: 2,3-dimetil-2-butanol

1. Predice el orden de acidez de los alcoholes siguientes: c)

a)

d) b)

Solución 2.1 La medida de la acidez de un alcohol se efectúa determinando su pKa = -logKa, donde Ka es la constante de equilibrio del alcohol con agua:

Cuanto más desplazado esté el equilibrio hacia la derecha, mayor será la concentración de iones hidroxonio y mayor será por tanto la acidez. Esto implica un mayor valor de Ka y un valor menor de pKa. Un ácido fuerte podrá tener un valor incluso negativo de pKa. Los alcoholes tienen valores de pKa en torno a 15-17, por lo que se les puede calificar de ácidos muy débiles. La concentración de ion hidroxonio es muy baja. Pero la acidez de los alcoholes, dentro de que es pequña, varía con su estructura. ¿Por qué se desplazan los equilibrios de diferentes alcoholes más o menos a la derecha?. Depende de la estabilidad termodinámica del ión alcóxido. Los alcóxidos son relativamente inestables porque tienen una carga formal concentrada sobre un átomo pequeño. Todo átomo presente en la cadena carbonada que tienda a deslocalizar la carga, dará lugar a un ion alcóxido ligeramente más estable y, por tanto, a un alcohol ligeramente más ácido. Las moléculas problema tienen en el esqueleto átomos de fluor, fuertemente electronegativos. Los enlaces C-F están fuertemente polarizados hacia el fluor, lo que ocasiona la polarización de los enlaces vecinos en la dirección del fluor. Por tanto, la presencia de los átomos de fluor estabilizarán ligeramente la carga negativa del alcóxido. Como este efecto estabilizador depende exclusivamente de la polarización de los enlaces y no de efectos resonantes, el fenómeno es muy sensible a la distancia entre el enlace C-F y la carga negativa. El alcohol más ácido (y el alcóxido más estable) será d), que contiene dos átomos de F en la posición más cercana. Irá seguido de a), que posee un sólo F a la misma distancia de enlaces que el primero. En tercer lugar irá c). El compuesto b) será el menos ácido ya que, a pesar de tener tres F, están tan alejados del oxígeno cargado negativamente, que su efecto será despreciable. Resumiendo, el orden será: d) > a) > c) > b)

PROBLEMAS: Propiedades ácido-base 2. Predice el orden de acidez de los alcoholes siguientes: a)

c)

b)

d)

Solución 2.2 Al igual que en el problema anterior, la estabilidad del alcóxido es la clave. En el caso de los alcoholes bencílicos de este problema, la estabilidad del alcóxido dependerá de la densidad electrónica del anillo aromático: i) Una mayor densidad electrónica provocará una mayor concentración de carga en el oxígeno del alcóxido y disminuirá su estabilidad. 2

ii) Por el contrario, un anillo aromático con baja densidad electrónica hará más electronegativo al carbono sp unido al grupo CH2O y provocará un desplazamiento de carga en el enlace C-O, deslocalizandola y estabilizando el ion alcóxido correspondiente. Así que tenemos que determinar de forma cualitativa la densidad de carga de los anillos aromáticos de las diferentes sustancias a estudiar: a)

El alcohol p-nitrobencílico tiene un grupo nitro, muy electronegativo, unido al anillo aromático. Su estructura de Lewis, con separación de cargas, permite deslocalizar la carga positiva en el anillo, con lo que éste tendrá una densidad electrónica relativamente baja. Aunque las formas resonantes dibujadas contienen una gran separación de cargas y, por tanto, contribuirán relativamente poco al híbrido de resonancia, nos permiten

explicar que un benceno unido a un grupo nitro tiene una densidad electrónica relativamente baja.

b) En el alcohol p-metilbencílico no se pueden escribir formas resonantes ya 3 que el metilo tiene un carbono sp . Sin embargo, es de esperar que la densidad electrónica del anillo aromático sea ligeramente más alta que si el 2 metilo no estuviera, ya que el carbono sp (con mayor carácter s) es más 3 electronegativo que el sp y puede atraer hacia sí densidad electrónica del enlace C-CH3. c)

La presencia de dos pares de electrones no compartidos en el oxígeno del grupo metoxilo hace que puedan escribirse formas resonantes, donde el anillo del alcohol p-metoxibencílico queda con una densidad electrónica relativamente alta. Ocurre lo contrario que con el grupo nitro. d) El alcohol bencílico, sin sustituyentes en el anillo aromático, será nuestro compuesto de referencia. El análisis realizado permite afirmar que: i) El alcohol p-nitrobencílico tiene una menor densidad electrónica en el anillo aromático que el alcohol bencílico. Esto estabilizará el ion alcóxido y provocará que el p-nitroderivado sea más ácido. ii) El alcohol p-metoxibencílico tiene una mayor densidad electrónica en el anillo aromático que el alcohol bencílico. Esto desestabilizará el ion alcóxido y provocará que el p-metoxiderivado sea menos ácido. iii) El alcohol p-metilbencílico tiene una mayor densidad electrónica en el anillo aromático que el alcohol bencílico, pero menor que la del p-metoxiderivado. Esto desestabilizará ligeramente el ion alcóxido y provocará que el p-metilderivado tenga una acidez menor que el alcohol bencílico pero mayor que el p-metoxiderivado. En resumen, el orden de acidez será: a) > d) > b) > c).

Hoja de autoevaluación 3 En esta hoja hay cuatro moléculas objetivo que hay que sintetizar. Para cada una de ellas se sugieren cuatro procesos de síntesis (opciones sintéticas). Unos son correctos y otros incorrectos. Trata de adivinar la respuesta correcta en cada caso.

Opciones sintéticas

Molécula objetivo

1 Propanal + 1ª etapa: bromuro de etilmagnesio; + 2ª etapa: neutralización

2 Butanal + 1ª etapa: bromuro de etilmagnesio; + 2ª etapa: neutralización 3-Pentanol

3 Butanona + 1ª etapa: metillitio; + 2ª etapa: neutralización

4 3-Bromopentano + 1ª etapa: acetato potásico en dimetilsulfóxido; + 2ª etapa: hidrólisis ácida, calor

5 Ciclohexanona + clorocromato de piridinio en diclorometano

Ciclohexanol

6 Ciclohexanona + 1ª etapa: hidruro de litio y aluminio en éter + 2ª etapa: hidrólisis y neutralización

7 Ciclohexeno + ácido sulfúrico concentrado y calor

8 Ciclohexeno + 1ª etapa: acetato de mercurio + 2ª etapa: hidrogenolisis con borohidruro sódico + 3ª etapa: hidrólisis básica

9 2-Etoxicarbonilciclohexanona + borohidruro sódico en metanol

10 2-Etoxicarbonilciclohexanona + 1ª etapa: hidruro de litio y aluminio en éter + 2ª etapa: hidrólisis y neutralización 2-Hidroximetilciclohexanol

11 Ciclohexanona + 1ª etapa: bromuro de metilmagenesio + 2ª etapa: neutralización

12 2-Formilciclohexanona + borohidruro sódico en metanol

13 Bromuro de terc-butilo + hidróxido sódico en dimetilformamida

14 Bromuro de terc-butilo + 1ª etapa: acetato potásico en dimetilsulfóxido + 2ª etapa: hidrólisis ácida terc-Butanol

15 2-Metilpropeno + 1ª etapa: acetato de mercurio + 2ª etapa: hidrogenolisis con borohidruro sódico + 3ª etapa: hidrólisis básica

16 Propanona (acetona) + 1ª etapa: metillitio; + 2ª etapa: neutralización

2. El tratamiento de 1,2,2-trimetilcicloheptanol con ácido sulfúrico da lugar a una mezcla de 1,7,7-trimetilciclohepteno, 1-terc-butilciclohexeno y 1-isopropenil-1metilciclohexano. Escribe un mecanismo que permita explicar la formación de esos productos.

Solución 4.2 La reacción es la deshidratación siguiente:

Como el reactivo es el ácido sulfúrico, debe producirse la protonación del OH de algunas moléculas de alcohol, dando lugar al carbocatión y la eleiminación transcurre por tanto por un mecanismo E1. Los anillos de seis miembros deben de haberse producido mediante diversas transposiciones:

3. Indica cuál es el resultado de las reacciones siguientes: a) f)

g) b)

h) c)

i)

d)

j)

e)

Solución 4.3 a)

El medio sulfúrico y la alta temperatura provocan la deshidratación del ciclopentanol, a través de un mecanismo E1.

f)

El grupo triflato (CF3SO3) es un derivado de alcohol que convierte a éste en un buen grupo saliente. Ante un buen nucleófilo, como el ioduro, se produce la sustitución nucleófila, a travás de un mecanismo SN2, obteniéndose el 1-iodo-3-metilbutano y el triflato sódico. g) b)

El cloruro es 3º, muy impedido. El etóxido es una base fuerte. El impedimento del haluro provoca que el etóxido reaccione con los hidrógenos del cloruro de terc-butilo, dando lugar a la eliminación, a través de un mecanismo E2.

En estas condiciones, parte de las moléculas de alcohol se protonarán, provocándose la pérdida de agua y la formación de un carbocatión 1º, muy inestable, que colapsará rápidamente con el nucleófilo más fuerte del medio que es el ion bromuro. De esta forma se obtendrá mayoritariamente el 1bromobutano, a través de un mecanismo SN1. h)

c)

El bromuro es 1º, muy poco impedido. Aunque el nucleófilo, terc-butóxido, es bastante impedido, el producto de sustitución nucleófila será el predominante en este caso, a través de un mecanismo SN2.

Este caso es muy similar al anterior, aunque con algunas diferencias importantes. El carbocatión que se obtiene es 2º, algo menos inestable y, por tanto, de vida algo más larga. El nucleófilo tiene tiempo para actuar como base y extraer un protón contiguo, para dar una mezcla de olefinas isómeras, que son trisustituídas y, por tanto, muy estables.

d)

i)

El dicromato potásico en ácido sulfúrico es una mezcla de alto poder oxidante (esta es la "mezcla crómica" que se utiliza en el laboratorio para limpiar los matraces). Por tanto, transforma el alcohol bencílico (el estado de oxidación formal del carbono 3 sp es -1) en ácido benzoico (estado de oxidación del carbono carbonílico +3).

El cloruro de tionilo en medio básico (piridina) reacciona con el alcohol dando un éster inorgánico, que convierte al OH en buen grupo saliente. El cloruro de hidrógeno, capturado por la piridina, reacciona suavemente mediante un proceso SN2, para dar un cloruro de configuración invertida respecto del alcohol de partida. j)

e)

El óxido crómico en ácido acético oxida el alcohol 2º, ciclohexanol (estado de oxidación formal del carbono alcohólico 0), a ciclohexanona (estado de oxidación formal del carbono carbonílico +2).

En ausencia de más reactivos, el hidruro potásico, que es una base fuerte, extraerá el protón débilmente ácido del alcohol para formar el alcóxido, su base conjugada. El equilibrio se desplaza completamente hacia la formación del alcóxido debido al desprendimiento de hidrógeno que tiene lugar.

1. A partir de acetileno y compuestos de hasta dos átomos de carbono, sintetiza los compuestos siguientes (haz click en cada uno para ver la solución): a) 2,3-pentanodiol b) cis-3-hexeno c)1,4-dibromo-3-cloro-2-butanol

d) 3-penten-2-ol e) 2-hexanona f) 1-hexanol

Solución 3.1a Como se comentará repetidamente en los problemas de síntesis, primero haremos un estudio retrosintético. Es decir, a partir del producto que debemos sintetizar iremos hacia atrás, estudiando los posibles precursores, hasta llegar al reactivo o reactivos que nos obligan a utilizar. Después elaboraremos el verdadero esquema sintético, estableciendo los pasos de síntesis necesarios con los reactivos y condiciones adecuados. 2,3-pentanodiol Retrosíntesis: El precursor de un diol es un alqueno ya que éste puede oxidarse con: a) KMnO4 en frío b) OsO4 y dar el diol sin directamente. O bien, puede epoxidarse con perácido y abrir el epóxido con agua en medio ácido, para dar el diol trans. Como la estereoquímica del diol no se especifica utilizaremos cualquier método. El precursor de un alqueno puede ser un alquino. La reducción parcial con H2 y el catalizador de Lindlar (adición sin) o con Na/NH3(reducción trans) permiten efectuar la transformación de alquino a alqueno. Un alquino puede obtenerse a partir de otro terminal por alquilación del ion acetiluro correspondiente. Síntesis:

Solución 3.1b Como se comentará repetidamente en los problemas de síntesis, primero haremos un estudio retrosintético. Es decir, a partir del producto que debemos sintetizar iremos hacia atrás, estudiando los posibles precursores, hasta llegar al reactivo o reactivos que nos obligan a utilizar. Después elaboraremos el verdadero esquema sintético, estableciendo los pasos de síntesis necesarios con los reactivos y condiciones adecuados.

cis-3-hexeno Retrosíntesis:

El precursor del alqueno es el alquino. Como el alqueno es cis, la reducción del alquino debe proceder por medio de una adición sin de H2. El precursor del 3hexino es el acetileno, por alquilación doble del acetileno. Síntesis:

Solución 3.1c Como se comentará repetidamente en los problemas de síntesis, primero haremos un estudio retrosintético. Es decir, a partir del producto que debemos sintetizar iremos hacia atrás, estudiando los posibles precursores, hasta llegar al reactivo o reactivos que nos obligan a utilizar. Después elaboraremos el verdadero esquema sintético, estableciendo los pasos de síntesis necesarios con los reactivos y condiciones adecuados. 1,4-dibromo-3-cloro-2-butanol Retrosíntesis:

La introducción de los cuatro grupos funcionales en posición 1, 2, 3 y 4 requiere un precursor donde los cuatro carbonos sean reactivos. Este es el 1,3-butadieno, en el que se puede proceder a una adición 1,4 (conjugada) de Br2 para obtener el 1,4dibromo-2-buteno, que sufriendo adición de cloro en agua, dará el producto final. El 1,3-butadieno puede obtenerse por eliminación de dos moléculas de HBr a partir del 2,3-dibromobutano. Este se puede obtener fácilmente por adición de Br2 al 2-buteno, cuyo precursor es el 2-butino por reducción parcial. El 2-butino se puede obtener por doble metilación del acetileno. Síntesis:

Solución 3.1d Como se comentará repetidamente en los problemas de síntesis, primero haremos un estudio retrosintético. Es decir, a partir del producto que debemos sintetizar iremos hacia atrás, estudiando los posibles precursores, hasta llegar al reactivo o reactivos que nos obligan a utilizar. Después elaboraremos el verdadero esquema sintético, estableciendo los pasos de síntesis necesarios con los reactivos y condiciones adecuados. 3-penten-2-ol Retrosíntesis:

El enlace estratégico en el producto que nos piden preparar, que nos da la pista sobre la identidad de los precursores, es el 2-3. Podemos aprovecharnos de las propiedades débilmente ácidas del propino para convertirlo en propinuro, muy buen nucleófilo, y atacar el acetaldehído. La reducción parcial del 3-pentin-2-ol obtenido nos dará el alqueno final. Síntesis:

Solución 3.1e Como se comentará repetidamente en los problemas de síntesis, primero haremos un estudio retrosintético. Es decir, a partir del producto que debemos sintetizar iremos hacia atrás, estudiando los posibles precursores, hasta llegar al reactivo o reactivos que nos obligan a utilizar. Después elaboraremos el verdadero esquema sintético, estableciendo los pasos de síntesis necesarios con los reactivos y condiciones adecuados. 2-hexanona Retrosíntesis:

Los alquinos terminales dan cetonas por adición de agua en medio ácido, a través de la formación del enol correspondiente. La regioquímica de la adición es Markovnikov. El 1-hexino se obtiene por monoalquilación del acetileno con un butano que posea un buen grupo saliente en posición 1. Como este reactivo tiene más de dos átomos de carbono, una de las condiciones del enunciado del problema, debemos sintetizarlo. Se puede preparar a partir del acetileno por monoalquilación con bromuro de etilo. El 1-butino puede tranformarse en el butanal (adición de alquilboranos) que, por reducción, dará el 1-butanol. El grupo OH es un precursor fácil de un grupo saliente, por ejemplo, un sulfonato. Síntesis:

Solución 3.1f Como se comentará repetidamente en los problemas de síntesis, primero haremos un estudio retrosintético. Es decir, a partir del producto que debemos sintetizar iremos hacia atrás, estudiando los posibles precursores, hasta llegar al reactivo o reactivos que nos obligan a utilizar. Después elaboraremos el verdadero esquema sintético, estableciendo los pasos de síntesis necesarios con los reactivos y condiciones adecuados. 1-hexanol Retrosíntesis:

Los alquinos terminales dan aldehídos por adición de alquilboranos, a través de la formación del enol correspondiente. La regioquímica de la adición es antiMarkovnikov. El 1-hexino se obtiene por monoalquilación del acetileno con un butano que posea un buen grupo saliente en posición 1. Como este reactivo tiene más de dos átomos de carbono, una de las condiciones del enunciado del problema, debemos sintetizarlo. Se puede preparar a partir del acetileno por

monoalquilación con bromuro de etilo. El 1-butino puede tranformarse en el butanal (adición de alquilboranos) que, por reducción, dará el 1-butanol. El grupo OH es un precursor fácil de un grupo saliente, por ejemplo, un sulfonato. Síntesis: